第２４卷第５期 ２００８年１０月 结构工程师 Ｖｏ１．２４，Ｎｏ．５ ０ｅｔ．２００８ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ 碳纤维布加固钢筋混凝土连续梁 抗弯性能试验研究 盛光祖 刘沐宇 张伟。 （１．同济大学土木工程学院，上海２０００９２；２．武汉理工大学土木工程与建筑学院，武汉４３００７０； ３．无锡工艺职业技术学院，江苏２１４２０６） 摘要 用碳纤维布对５根相同尺寸的钢筋混凝土连续梁做了增强处理，通过改变碳纤维布的粘贴位 置及层数等参数，研究了碳纤维布对于钢筋混凝土连续梁抗弯性能的影响和作用。试验结果表明：碳纤 维布加固可以显著提高试验梁的抗弯承载力，同时对于增强梁的抗弯刚度也有良好的作用。提出了连 续梁加Ｎ－Ｅ弯承载力以及挠度的计算公式，计算结果和试验结果吻合较好。 关键词碳纤维布，钢筋混凝土连续梁，抗弯承载力，挠度 Ｆｌｅｘｕｒａｌ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ＲＣ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｂｅａｍｓ Ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｅｄ ｗｉｔｈ ＣＦＲＰ Ｓｈｅｅｔｓ ＳＨＥＮＧ Ｇｕａｎｇｚｕ ＬＩＵ Ｍｕｙｕ ＺＨＡＮＧ Ｗｅｉ （１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｏｎ￣ｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｈｇｈａｉ ２０００９２，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，Ｗｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ ４３００７０，Ｃｈｉｎａ； ３．Ｗｕｘｉ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ａｒｔｓ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｊｉａｎｇｓｕ ２１４２０６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｔ ｆａｉｌｕｒｅ ｏｆ ５ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｃｏｎｃｒｅｔｅ（ＲＣ）ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｂｅａｍｓ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ ｏｆ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｐｏｌｙｍｅｒ（ＣＦＲＰ）ｓｈｅｅｔｓ．Ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｉｓ ｍａｉｎｌｙ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｔｏ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ＣＦＲＰ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ Ｏｉｌ ｆｌｅｘｕｒａｌ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ：ｕｌｔｉｍａｔｅ ｌｏａｄ，ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｉｒｇｉｄｉｔｙ ｏｆ ｒｅｐａｉｒｅｄ ＲＣ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｂｅａｍｓ．Ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈｅ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅ ｕｌｔｉｍａｔｅ ｌｏａｄ ａｎｄ ｒｉｇｉｄｉｔｙ ｏｆ ａｌｌ ＲＣ ｂｅａｍｓ ｗｉｔｈ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｂｏｎｄｅｄ ＣＦＲＰ ｓｈｅｅｔｓ．Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ｓｉｍｐｌｅ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｃａｌｃｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｕｌｔｉｍａｔｅ ｌｏａｄ ａｎｄ ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｂｅａｍ ａｎｄ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｅｄ ｂｅａｍｓ，ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｈａｖｅ ｇｏｏｄ ｍａｔｃｈ ｔｏ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｌｏａｄｓ ａｎｄ ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｐｏｌｙｍｅｒ ｓｈｅｅｔ，ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｂｅａｍ，ｆｌｅｘｕｒａｌ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ，ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ 目前，国内外关于碳纤维布加固钢筋混凝土 简支梁试验研究较多¨ ，然而实际工程中连续 构件很多，而碳纤维加固钢筋混凝土连续梁的试 验研究相对较少 。并且现行的各种碳纤维加 １试验概况 １．１梁的设计与制作 固规程也都是针对钢筋混凝土简支构件的。 因此，本试验对一组钢筋混凝土连续梁进行 碳纤维加固，并通过加固梁与未加固梁的对比试 本次试验制作了５根梁，梁截面尺寸为ｂ×ｈ ＝１５０ ｍｍ￣２５０ ｍｍ，总长ｆ＝３ ０００ ｍｍ，分两跨， 每跨净跨为 ：１ ４００ ｍｍ，所采用的混凝土设计 强度为Ｃ３０，纵向受拉钢筋为 １４，Ⅱ级钢，箍筋 为 ８，Ｉ级钢，间距为７０ ｍｍ。试验装置及配筋如 验，研究在不同碳纤维布粘贴情况下，碳纤维布加 固对试验梁抗弯性能的影响和作用。 收稿日期：２００８一（）２—２８ ・试验研究・ ．１２７． 结构工程师第２４卷第５期 图１所示，材料力学性能见表１、表２。 ＾位移计 ｆ ＾ Ｊ＾ 钢筋麻变 芒 ｂ 一— 混凝土应变片 ３０ ３ｏ １ ３００————————————————— ｌ １４００，．．．．．．．．．．．．．．．． ．．．．．．．．．．一Ｊ ５００————Ｊ Ｃ Ｌ 图１试验装置及配筋（单位：ｍｍ） Ｆｉｇ．Ｉ Ｔｅｓｔ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ａｎｄ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ 表１ 碳纤维布性能指标 Ｔａｂｌｅ １ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｉｎｄｅｘ ｏｆ ＣＦＲＰ ｓｈｅｅｔｓ 品种 设计厚度 拉伸强度 弹性模量 编号 ／ｍｍ ／（Ｎ・ｎｌｎｌ－２） ／（Ｎ・ｉｆｌｉａｒ－２） Ｌ２００一Ｃ （）．１１１ ４ ２１１ ２４９×１（） ＿ 表２ 钢筋和混凝土实测力学性能 Ｔａｂｌｅ ２ Ｍｅａｓｕｒｅｄ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｓｔｅｅｌｓ ａｎｄ ｃｏｎｃｒｅｔｅ 材料 强度／（Ｎ・／１１Ｉｌｌ ） 弹性模量／（Ｎ・ｆｆｌＩｌｌＩ２、 混凝土 Ｃ３（） ．． ２８．３ ３．１×１０ ４，ｓ ｛ ２４５ １．９４×１ｏ 钢筋 （ＨＰＢ２３５） ． ４４１ 击１４ ｛１ ３９５ ２．０１×ｉ（）’ （ＨＲＢ３３５） ５７０ １．２测点的布置 在梁浇注前，在底部两根钢筋的每跨跨中位 置及顶部钢筋的中间位置沿纵向各粘贴一片钢筋 应变片，用于测量纵筋在加载过程中的拉应变。 试验前，在梁的每跨跨中及中间支座处分别粘贴 ４个混凝土应变片，并在梁支座截面顶端及跨中 截面底部分别布置百分表，用于测量梁的竖向位 移，并由 —ｙ函数记录仪绘出荷载一挠度曲线 对于加固的梁，在碳纤维布粘贴养护完成后，在跨 中碳纤维布表面沿纵向粘贴一片应变片，对于粘 贴两层布的加固梁，在内外两层布跨中位置上均 贴上一片应变片，用于测量碳纤维布在荷载作用 下的拉应变。测点的具体分布见图１。 １．３试验方案 根据试验目的，共制作５片钢筋混凝土梁，试 验梁均为矩形截面两跨连续梁，其中ＢＤ梁为对 比梁。整批试验梁的加固情况见表３。 表３ 试验梁的补强加固情况 Ｔａｂｌｅ ３ Ｔｅｓｔ ｂｅａｍ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ 编号 补强加固情况 正弯矩区域 负弯矩区域 ＢＤ 未补强 未补强 ＢＷＺ 粘贴一层 未补强 ＢＷＦ 未补强 粘贴一层 ＢＷ一１ 粘贴一层 粘贴一层 ＢＷ一２ 粘贴两层 粘贴两层 图２显示了部分试验梁的裂缝发展和破坏情 况。各梁裂缝均在３个区域出现，即梁的两个正 弯矩区域和负弯矩区域。所有区域都出现１～２ 条主裂缝，均在梁的每跨跨中和中间支座附近的 位置。完好梁加固可以很好地抑制裂缝的开展， 主要表现为各完好加固梁的裂缝宽度和裂缝密度 较对比梁要小而且密，加固层越多，效果越明显。 当损伤荷载较大时损伤梁加固在二次加载初期并 不能很好地抑制裂缝的发展。各梁跨中的实测屈 服荷载和极限荷载见表４。 图２部分试验梁破坏情况 Ｆｉｇ．２ Ｄａｍａｇｅ ｏｆ ｔｅｓｔ ｂｅａｍｓ ２试验现象及主要结果 ２．１荷载一挠度关系 极限状态除对比梁是正截面受弯破坏外，各 加固梁均为碳纤维布剥离破坏，所有试验梁的荷 载一挠度关系如图３所示，从图３可以看出，所有 梁在加载初期挠度相差不大，当纵筋屈服后，未加 固梁的挠度迅速增大，而加固梁的挠度增长比较 缓慢，并且其最终挠度都要比未加固粱要小。 Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ Ｖｏ１．２４，Ｎｏ．５ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ Ｓｔｕｄｙ 表４ Ｔａｂｌｅ ４ 梁的主要试验结果 Ｂｅａｒｎ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ 试件编号 损伤荷载／ｋＮ 屈服荷载／ｋＮ 极限荷载／ｋＮ 试验值 ＢＤ ｆ） １６ｆ１ ＢＷＦ Ｏ １７２ ＢＷＺ （） １８０ ＢＷ一１ ０ １８３ ＢＷ一２ Ｏ ２（）１ 说明：提高程度郡是相对于ＢＤ（即元好禾加崮梁）『『『】吾的。 图３为未加固梁与完好加固梁在加载过程中跨中 挠度变化的比较图。从试验测过程中跨中挠度变 化的比较图。从试验测得的数据可以看出，各加 固梁挠度均小于ＢＤ梁，其中ＢＷ一１的挠度要比 ＢＤ减小３３％左右（指在ＢＤ的极限荷载范围 内），而且ＢＤ梁屈服后，它挠度增大速度比ＢＷ一 １梁要快，而且各梁的挠度变化趋势与钢筋应变 趋势基本一致，ＢＷ一１梁的最终挠度小于ＢＷＦ 梁和ＢＷＺ梁，贴两层碳纤维布的ＢＷ一２梁的挠 度最小。 ２５０ ２００ 至１５０ １００ 榉５Ｏ Ｏ ５ ｌ０ ｌ ５ 挠度／ｍｍ 图３各试验梁挠度比较 Ｆｉｇ．３ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｔｅｓｔ ｂｅａｍｓ ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ３理论分析 ３．１抗弯承载力计算 抗弯承载力的计算是在平衡条件的基础上， 假设试验梁的跨中和中间支座部分都有较好的延 性，能同时达到各自的极限弯矩 和 见图４ （ａ），则梁的跨中荷载Ｐ 可通过下式计算： １ Ｐ ：÷（Ｍ Ｌ ｈ＋２ ） （１） 式（１）仅适用于ＢＤ梁，因为ＢＤ梁没有用 ＣＦＲＰ加固，故其延性性能符合要求。ＢＷＦ梁与 ＢＷＺ梁的跨中荷载Ｐ 可分别按式（２）、式（３）计 算（见图４（ｂ）与（Ｃ））。 提高程度／％ 试验值 提高程度／％ １８６ ７．５ ２０６ １Ｏ．８ １２．５ ２１４ １５．１ １４．４ ２２７ ２２．１ ２５．６ ２５３ ３６ （ 一 ） Ｐｔ 詈（ ＋ ） （３） 式中，Ｍ 分别是碳纤维布端部对应的负弯矩 和正弯矩的值， 和，Ｊ 表示中间支座顶部和跨中 底部的碳纤维布长度，分别见图４（ｂ）和图４（ｃ）。 上述计算公式都只适用于具有很好延性性能 的试验梁（如ＢＤ梁）或具有很好部分延性性能的 试验梁（如ＢＷＦ和ＢＷＺ梁）。而对于正负弯矩 区域都为脆性的试验梁（如ＢＷ一１和ＢＷ一２ 梁），上述公式都不能满足，这是因为试验的破坏 形式是脆性破坏，弯曲延性机理不能适用。 ３．２挠度计算 由图（５）可知，连续梁挠度可以看作是简支 梁挠度与支座挠度的叠加。故连续梁的挠度可用 式（４）计算 ” 。 ／＝／ ＋Ｊ， ＝［ ＋ 二 （４） １６ Ｊ 关于式（１４）中刚度Ｂ的计算，ＢＤ梁可按《公 路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》 （ＪＴＧ Ｄ６２—２（）（Ｊ４）抗弯刚度的计算公式计算，而 其他各加固梁的刚度Ｂ可依据式（５）、式（６） 计算 。 Ｂ＝÷（ Ｅ Ａ ＋０．９ｈ２Ｅ ｆＡ ｆ） （５） ＋ （６） 按以上公式计算出的挠度值与试验实测值相 差较小，计算值挠度偏小，说明计算值偏安全，公 式具有一定的工程适用性。 ・试验研究・ ・ｌ２９・ 结构工程师第２４卷第５期 Ｃ．Ｌ ＼／／＜ ＾ Ｌ———————————＇ Ｃ．Ｌ （ａ） Ｃ Ｌ ｌ ＼ 负弯矩 一 ＼ ／ ＼ ／ ！ ｓ ‘—————一——￡———————————— Ｃ．Ｌ （ｂ） Ｃ．Ｌ ＼／ ｉ———————一￡ —————— ｝———————————一，＿——————————— Ｃ １． ＿（ｃ） 图４试验梁正负弯矩示意图 Ｆｉｇ．４ Ｍｏｍｅｎｔ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｔｅｓｔ ｂｅａｍ ＾ Ｍ６ Ｉ ； ｆ Ｃ．Ｌ 图５挠度叠加示意图 Ｆｉｇ．５ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｓｕｐｅｒｉｍｐｏｓｅｄ ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ４结论 （１）用碳纤维布加固钢筋混凝土连续梁是一 种简便可行的方法，可以有效地提高梁的抗弯承 载力。与屈服荷载提高程度相比，极限承载力的 提高更为显著。不同的碳纤维布用量对抗弯承载 力的提高有明显的影响，完好加固梁的承载力提 高了２２．１％（ＢＷ一１梁）～３６％（ＢＷ一２梁）。 （２）碳纤维加固对连续梁的挠度有很好的抑 制作用，碳纤维用量越多，试验梁的挠度越小，说 明碳纤维布的使用，提高了梁的抗弯刚度。但同 时加固梁表现出更强的脆性，并且所有加固梁的 破坏形式都是碳纤维布剥离破坏。 （３）抗弯承载力公式仅适用于表现延性特征 的试验梁，公式的精度较高。 （４）挠度公式计算出的挠度值与试验实测值 相差较小，计算值挠度偏小，说明计算值偏安全， 公式具有一定的工程适用性。 参考文献 ［１］ 吴刚，安琳，吕志涛．碳纤维布用于钢筋混凝土梁 抗弯加固的试验研究［Ｊ］．建筑结构，２０００，２５（７）： ２４—２８． ［２］ 邓宗才．碳纤维布增强钢筋混凝土梁抗弯力学性 能研究［Ｊ］．中国公路学报，２００１，１４（２）：４５—５１． ［３］ 万黎黎，陈忠范．采用三种纤维加固钢筋｝昆凝土板 的试验研究［Ｊ］．结构工程师，２００７，２３（１）：７７—８１． ［４］ 张坦贤，吕西林，肖丹，等．预应力碳纤维布加固一 次二次受力梁抗弯试验研究［Ｊ］．结构工程师， ２００５，２１（１）：３４－４０． ［５］Ｔｏｍ Ｎｏｒｒｉｓ，Ｈａｍｉｄ Ｓａａｄａｔｍａｎｅｓｈ，Ｍｏｈａｍｍａｄ Ｒ． Ｅｈｓａｎｉ．ｓｈｅａｒ ａｎｄ ｆｌｅｘｕｒａｌ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ ｏｆ Ｒ／Ｃ ｂｅａｍｓ ｗｉｔｈ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ ｓｈｅｅｔｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，１９９７，１２３（７）：９０３—９１１． ［６］ 陆洲导，谢群，何海．碳纤维布加固钢筋混凝土连 续梁受弯性能试验研究［Ｊ］．建筑结构，２００５，３５ （３）：３３－３５． ［７］ Ｅ１一Ｒｅｆａｉｅ Ｓ Ａ，Ａｓｈｏｕｒ Ａ Ｆ。Ｇａｒｒｉｔｙ Ｓ Ｗ．ＣＦＲＰ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｅｄ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｂｅａｍｓ［Ｊ］．Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ＆Ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ，２００３，１５６（１１）：３９５—４０４． ［８］Ｅ１一Ｒｅｆａｉｅ Ｓ Ａ，Ａｓｈｏｕｒ Ａ Ｆ，Ｇａｒｒｉｔｙ Ｓ Ｗ．Ｓａｇｇｉｎｇ ａｎｄ ｈｏｇｇｉｎｇ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ ｏｆ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｂｅａｍｓ ｕｓｉｎｇ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ—ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｐｏｌｙｍｅｒ ｓｈｅｅｔｓ［Ｊ］．ＡＣＩ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ，２００３，１００（７－８）： ４４６—４５３． ［９］ Ａｓｈｏｕｒ Ａ Ｆ，Ｅ１一Ｒｅｆａｉｅ Ｓ Ａ，Ｇａｒｒｉｔｙ Ｓ Ｗ．Ｆｌｅｘｕｒａｌ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ ｏｆ ＲＣ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｂｅａｍｓ ｕｓｉｎｇ ＣＦＲＰ ｌａｍｉｎａｔｅｓ［Ｊ］．Ｃｅｍｅｎｔ＆Ｃｏｎｃｒｅｔｅ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，２００４． ２６（７）：７６５—７７５． ［１０］汪恒在．钢筋混凝土框架梁、连续梁、单跨梁挠度 的通用计算公式［Ｊ］．四川建筑科学，１９８８（４）： ３４－３７． ［１１］杨勇新，岳清瑞．碳纤维布加固钢筋混凝土梁截面 刚度计算［Ｊ］．工业建筑，２００１（９）：１－４．
